CN114275784B - 一种利用co2制备co气体的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用CO2制备CO气体的系统及方法，将高纯CO2气体通过置于由炼钢感应炉改造得到的密闭造气炉底部的底吹元件通入熔池温度为1600℃‑1800℃之间的氧饱和Fe‑O‑C熔体中，CO2与高温熔体中铁元素发生CO2+Fe＝CO+FeO的反应，生成CO气体体积分数为85％以上的气相生成物，经气体分离装置后制备高纯度CO气体，用做化工原料，即实现了CO2气体的资源化应用，同时可制备化工所急需的CO气体原料，同时该过程为炼钢常见气‑液两相化学反应，设备操作难度低，反应速率快，可大规模高效消纳CO2气体及制备CO气体。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶金过程CO2气体资源化利用及CO气体高效制备生产领域，尤其涉及一种利用CO2制备CO气体的系统及方法。
背景技术
目前国内外均尝试寻求人工光合作用生产碳氢化合物，以降低大气中CO2浓度，实现“碳中和、碳达峰”的减碳目标，即利用太阳能将CO2气体与水或者氢气合成碳氢化合物，如气态甲烷或液态甲醇。CO2作为一种非常稳定的分子，现有技术中的费托合成过程(Fischer-Tropsch synthesis)第一步是将CO2脱除一个氧原子生成更具反应性的CO气体，CO气体再与水或者氢气结合转化为液态烃。目前工业催化过程中将1mol的CO2气体转化为CO气体必须施加至少1.33eV的能量，同时需要额外附加1.5eV能量以及大量催化剂，合成碳氢化合物所需的能量远远超过其化学键中所能储存的能量，同时该过程需要高温高压环境以提高转化效率及反应速率，因此CO2气体如何绿色高效低耗地制备CO气体便成为目前限制CO2气体在钢铁化工等领域资源化利用的难题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何在通过将大量存在于冶金系统的CO2气体资源化利用及高效制备CO气体。
本发明的基本原理如下：
本发明首先通过实验室热态实验发现，1600℃条件下从反应器底部向氧饱和的Fe-C熔体(氧元素含量为0.2127wt.％，碳元素含量为0.0112wt.％)中连续喷吹CO2气体，CO2与高温熔体中铁元素发生CO2+Fe＝CO+FeO的反应，CO2分解率为85.75％，生成物气相中CO体积分数为85.75％，CO2体积分数为14.25％，反应不需要附加催化剂及额外能量，同时CO2气体在熔池上升过程中即完成该反应，反应时间小于1s，分解反应速率较高且稳定，可实现CO2的资源化利用，同时可大规模高效制备化工所急需的CO气体原料。故在目前钢铁生产流程使用中小型转炉或感应炉制备CO气体，可采用的方法为向1600℃以上的中高碳Fe-C熔体(碳元素质量分数＞0.5％)喷吹CO2气体，借助CO2+C＝2CO反应制备高纯度CO气体，但在反应过程中碳元素含量会不断降低，因此需要在熔池底部喷吹煤粉等碳质材料，而煤粉等含碳物质由炉底向熔池中喷吹的过程对设备及工艺操作要求较高，操作及设备维护难度较高。
因此，本发明基于CO2气体在氧饱和的铁基熔体中反应的高分解率特性，进一步提出了一种利用CO2制备CO气体的系统及方法，将高纯CO2气体通过置于由炼钢感应炉改造得到的密闭造气炉底部的底吹元件通入熔池温度为1600℃-1800℃之间的氧饱和Fe-O-C熔体中，CO2与高温熔体中铁元素发生CO2+Fe＝CO+FeO的反应，生成CO气体体积分数为85％以上的气相生成物，经气体分离装置后制备高纯度CO气体，用做化工原料，即实现了CO2气体的资源化应用，同时可制备化工所急需的CO气体原料，同时该过程为炼钢常见气-液两相化学反应，设备操作难度低，反应速率快，可大规模高效消纳CO2气体及制备CO气体。
具体地，本发明首先提供了一种利用CO2制备CO气体的系统，包括密闭造气炉、等离子体喷枪，电磁感应加热线圈；密闭造气炉产生的气相生成物被设置为由第一管道接入至气相生成物除尘装置，净化后的气相生成物通过第二管道进入换热器热流体入口，冷却后的气相生成物通过第三管道与气相成分检测装置连接，后经第四管道与第一增压机连接，增压后的气相生成物经第五管道与气动三通球阀连接，气动三通球阀第一出口通过第六管道与气体分离装置连接，气动三通球阀第二出口用于排空；气体分离装置制得的高纯CO气体通过第七管道接入第二增压机入口，高纯CO气体增压后经过第八管道输送并储存于CO气体储气柜；气体分离装置制得的高纯CO2气体经过第九管道与第一截止阀连接，后经第十管道接入第三增压机入口，高纯CO2气体增压后经过第十一管道输送并储存于CO2气体储气柜；外来高纯CO2气体由第十二管道与第一截止阀连接，后经第十三管道输送至CO2气体储气柜，CO2气体储气柜的高纯CO2气体经过第十四管道接入至换热器冷流体入口，换热后经过第十五管道与第二截止阀连接，后经第十六管道接入至压力流量调节阀，压力流量调节后的高纯CO2气体由第十七管道接入至CO2气体流量计入口，流量计量后经第十八管道接入安装于密闭造气炉炉底的底吹元件。
进一步地，等离子体喷枪安装于密闭造气炉炉盖顶部，电磁感应加热线圈安装于密闭造气炉的炉身外部。
进一步地，还包括安装于密闭造气炉上部的碳质材料料仓和铁基原料料仓。
进一步地，换热器产生的水蒸气经第十九管道输送至气体分离装置的水蒸气入口，用于吸附气体的再生分离。
本发明还提供了一种利用CO2制备CO气体的方法，包括步骤：
(1)提供一种如前述的利用CO2制备CO气体的系统；
(2)进入氧饱和铁基熔体制备阶段，将电解纯铁作为熔池金属相原料装入至密闭造气炉，并加入高纯氧化镁作为炉渣调节剂，通电熔化金属相原料，并将熔池温度提高至1600℃以上，将外来高纯CO2气体储存于CO2气体储气柜中，并经换热器、气动球阀、压力流量调节阀及CO2气体流量计接入底吹元件入口；持续从位于密闭造气炉底部的底吹元件通入高纯CO2气体，熔化过程中气相生成物经除尘、换热后使用在线气相成分检测装置检测气相中CO气体及CO2气体体积分数，当气相生成物中CO气体体积分数达到85％以上时，即为完成氧饱和铁基熔体制备阶段；
(3)进入CO气体制备阶段，通过置于密闭造气炉底部的底吹元件持续向氧饱和铁基熔体中通入高纯CO2气体，经过除尘、换热后，导入至气体分离装置，分别得到高纯CO气体和高纯CO2气体，CO气体进入CO气体储气柜，CO2气体进入CO2气体储气柜；
(4)进入熔池炉渣还原阶段，当密闭造气炉炉内炉渣高度达到熔池高度的1/3时，将密闭造气炉的底吹气体切换为高纯氩气，并将气动三通球阀设置为排空模式，气相生成物排放至大气环境中，通过安装于造气炉上部的碳质材料料仓向熔池中加入石墨粉，通过安装于造气炉上部的铁基原料料仓向熔池中补充电解纯铁，后待炉内炉渣还原完毕及熔池中新加入铁基原料完全熔化后，将恢复为CO气体制备阶段。
进一步地，在步骤(2)中，设定密闭造气炉1加热元件功率为3000kW-50000kW，从底吹元件吹入的高纯CO2气体表压为0.2-0.4MPa、流量为10-200Nm3/h。
进一步地，在步骤(3)中，设定密闭造气炉加热元件功率为1000-20000kW，从底吹元件吹入的高纯CO2气体表压为0.3-0.6MPa、流量为20-500Nm3/h高纯CO2气体。
进一步地，在步骤(4)中，从底吹元件吹入的高纯氩气表压为0.2-0.4MPa、流量为10-200Nm3/h。
进一步地，等离子体喷枪安装于密闭造气炉炉盖顶部，电磁感应加热线圈安装于密闭造气炉的炉身外部，碳质材料料仓和铁基原料料仓安装于密闭造气炉上部。
进一步地，换热器产生的水蒸气经第十九管道输送至气体分离装置的水蒸气入口，用于吸附气体的再生分离。
本发明的有益效果包括：
(1)可使用钢铁工业或化学工业生产过程中产生的尾气经CO2提浓后得到的高浓度CO2气体作为反应气体，与氧饱和铁基熔体反应生成高CO浓度尾气(CO气体体积分数大于85％)，实现了CO2气体的消纳及重要化工原料CO气体的高效制备；
(2)本发明所述工艺利用1600-1800℃的高温熔池作为反应环境，可有效突破CO2分解的能垒，同时反应速率较高且稳定，不需要传统化工领域CO2还原工艺中大量且昂贵的催化剂，工艺简单成本低廉且制备效率高；
(3)本发明中所述装备所用电能通过光伏发电、风力发电、水利发电或核能发电装置产生，实现了绿色电力与CO气体的“电-能”转化；
(4)将造气炉气相生成物中热量用于气体分离装置所需水蒸气的制备以及反应用高纯CO2气体的加热，最大程度地利用了系统的余热，进一步降低了CO气体制备的能源单耗。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例中的利用CO2制备CO气体的系统的工艺流程图；
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
如图1所示，根据本发明的利用CO2制备CO气体的系统包括密闭造气炉1，密闭造气炉1产生的气相生成物由管道P1接入至气相生成物除尘装置4，净化后的气相生成物通过管道P2进入换热器5热流体入口，冷却后的气相生成物通过管道P3与气相成分检测装置6连接，后经管道P4与增压机71连接，增压后的气相生成物经管道P5与气动三通球阀8连接，气动三通球阀8一出口通过管道P6与气体分离装置9连接，气动三通球阀8另一出口用于排空，气体分离装置9制得的高纯CO气体通过管道P7接入增压机72入口，高纯CO气体增压后经过管道P8输送并储存于CO气体储气柜10，气体分离装置9制得的高纯CO2气体经过管道P9与截止阀111连接，后经管道P10接入增压机73入口，高纯CO2气体增压后经过管道P11输送并储存于CO2气体储气柜12，外来高纯CO2气体由管道P12与截止阀112连接，后经管道P13输送至CO2气体储气柜12，CO2气体储气柜12的高纯CO2气体经过管道P14接入至换热器5冷流体入口，换热后经过管道P15与截止阀113连接，后经管道P16接入至压力流量调节阀P17，压力流量调节后的高纯CO2气体由管道P17接入至CO2气体流量计入口，流量计量后经管道P18接入安装于密闭造气炉1炉底的底吹元件15，换热器5产生的水蒸气经管道P19输送至气体分离装置9水蒸气入口，用于吸附气体的再生分离，等离子体喷枪16安装于密闭造气炉1炉盖顶部，电磁感应加热线圈17安装于密闭造气炉1的炉身外部。
根据本发明利用CO2制备CO气体的方法，包括步骤如下：
氧饱和铁基熔体制备阶段，将10t电解纯铁作为熔池金属相原料装入至密闭造气炉1，并加入0.5t高纯氧化镁作为炉渣调节剂，设定密闭造气炉1加热元件功率为6000kW，通电熔化金属相原料，并将熔池温度提高至1600℃，将外来高纯CO2气体储存于CO2气体储气柜12中，并经换热器5、气动球阀113、压力流量调节阀13及CO2气体流量计14接入底吹元件15入口；持续从置于密闭造气炉1底部的底吹元件15通入表压为0.2MPa、流量为20Nm3/h的高纯CO2气体，熔化过程中气相生成物经除尘、换热后使用在线气相成分检测装置6检测气相中CO气体及CO2气体体积分数，2小时后当气相生成物中CO气体体积分数达到85％以上时，即为完成氧饱和铁基熔体制备阶段。
CO气体制备阶段，设定密闭造气炉1加热元件功率为2000kW，通过置于密闭造气炉1底部的底吹元件15持续向氧饱和铁基熔体中通入表压为0.3MPa、流量为50Nm3/h高纯CO2气体，气相生成物中CO气体体积分数85.75％，CO2气体体积分数为14.25％，并经过除尘、换热后，导入至气体分离装置9，分别得到高纯CO气体和高纯CO2气体，CO气体进入CO气体储气柜10，CO2气体进入CO2气体储气柜12。
系统运行第5小时，进入熔池炉渣还原阶段，通过安装于密闭造气炉1炉盖顶部的窥视孔观察炉内炉渣生成情况，此时炉内炉渣高度达到熔池高度的1/3时，渣中氧化亚铁质量为412.54kg，密闭造气炉1的底吹气体切换为高纯氩气，其表压为0.2MPa、流量为20Nm3/h，并将气动三通球阀8设置为排空模式，气相生成物排放至大气环境中，通过安装于造气炉上部的碳质材料料仓2向熔池中加入70kg石墨粉，通过安装于造气炉上部的铁基原料料仓3向熔池中补充电解纯铁100kg，15分钟后待炉内炉渣还原完毕及熔池中新加入铁基原料完全熔化后，将生产过程切换为CO气体制备阶段。
本实施例中，设备工作天数为300天，年可消纳CO2气体约600t，生产CO气体约308700Nm3。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种利用CO2制备CO气体的方法，其特征在于，包括步骤：
（1）提供一种利用CO2制备CO气体的系统；包括密闭造气炉、等离子体喷枪，电磁感应加热线圈；密闭造气炉产生的气相生成物被设置为由第一管道接入至气相生成物除尘装置，净化后的气相生成物通过第二管道进入换热器热流体入口，冷却后的气相生成物通过第三管道与气相成分检测装置连接，后经第四管道与第一增压机连接，增压后的气相生成物经第五管道与气动三通球阀连接，气动三通球阀第一出口通过第六管道与气体分离装置连接，气动三通球阀第二出口用于排空；气体分离装置制得的高纯CO气体通过第七管道接入第二增压机入口，高纯CO气体增压后经过第八管道输送并储存于CO气体储气柜；气体分离装置制得的高纯CO2气体经过第九管道与第一截止阀连接，后经第十管道接入第三增压机入口，高纯CO2气体增压后经过第十一管道输送并储存于CO2气体储气柜；外来高纯CO2气体由第十二管道与第二截止阀连接，后经第十三管道输送至CO2气体储气柜，CO2气体储气柜的高纯CO2气体经过第十四管道接入至换热器冷流体入口，换热后经过第十五管道与第三截止阀连接，后经第十六管道接入至压力流量调节阀，压力流量调节后的高纯CO2气体由第十七管道接入至CO2气体流量计入口，流量计量后经第十八管道接入安装于密闭造气炉炉底的底吹元件；
（2）进入氧饱和铁基熔体制备阶段，将电解纯铁作为熔池金属相原料装入至密闭造气炉，并加入高纯氧化镁作为炉渣调节剂，通电熔化金属相原料，并将熔池温度提高至1600℃以上，将外来高纯CO2气体储存于CO2气体储气柜中，并经换热器、第三截止阀、压力流量调节阀及CO2气体流量计接入底吹元件入口；持续从位于密闭造气炉底部的底吹元件通入高纯CO2气体，熔化过程中气相生成物经除尘、换热后使用在线气相成分检测装置检测气相中CO气体及CO2气体体积分数，当气相生成物中CO气体体积分数达到85%以上时，即为完成氧饱和铁基熔体制备阶段；
（3）进入CO气体制备阶段，通过置于密闭造气炉底部的底吹元件持续向氧饱和铁基熔体中通入高纯CO2气体，经过除尘、换热后，导入至气体分离装置，分别得到高纯CO气体和高纯CO2气体，CO气体进入CO气体储气柜，CO2气体进入CO2气体储气柜；
（4）进入熔池炉渣还原阶段，当密闭造气炉炉内炉渣高度达到熔池高度的1/3时，将密闭造气炉的底吹气体切换为高纯氩气，并将气动三通球阀设置为排空模式，气相生成物排放至大气环境中，通过碳质材料料仓向熔池中加入石墨粉，通过铁基原料料仓向熔池中补充电解纯铁，后待炉内炉渣还原完毕及熔池中新加入铁基原料完全熔化后，将恢复为CO气体制备阶段。
2.如权利要求1所述的利用CO2制备CO气体的方法，其中，在步骤（2）中，设定密闭造气炉加热元件功率为3000kW-50000kW，从底吹元件吹入的高纯CO2气体表压为0.2-0.4MPa、流量为10-200Nm3/h。
3.如权利要求1所述的利用CO2制备CO气体的方法，其中，在步骤（3）中，设定密闭造气炉加热元件功率为1000-20000kW，从底吹元件吹入的高纯CO2气体表压为0.3-0.6MPa、流量为20-500Nm3/h。
4.如权利要求1所述的利用CO2制备CO气体的方法，其中，在步骤（4）中，从底吹元件吹入的高纯氩气表压为0.2-0.4MPa、流量为10-200Nm3/h。
5.如权利要求1所述的利用CO2制备CO气体的方法，其中，等离子体喷枪安装于密闭造气炉炉盖顶部，电磁感应加热线圈安装于密闭造气炉的炉身外部，碳质材料料仓和铁基原料料仓安装于密闭造气炉上部。
6.如权利要求1所述的利用CO2制备CO气体的方法，其中，换热器产生的水蒸气经第十九管道输送至气体分离装置的水蒸气入口，用于吸附气体的再生分离。
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